??? 摘? 要: 介紹了基于CDMA的武鋼能源水網無線監控系統" title="監控系統">監控系統的設計與實現。重點討論了無線網絡結構、數據上行傳輸原理、無線通信硬件配置以及主要軟件的實現方式。通過本系統的實際運行測試,與有線數據采集" title="數據采集">數據采集系統進行比較和分析,總結出本系統的特點。展望了本系統更為廣泛的應用前景。?
??? 關鍵詞: CDMA;無線監控;上行傳輸;硬件配置;數據采集
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??? 為實現武漢鋼鐵集團公司(簡稱武鋼)水、電、風、氣的統一管理,以達到優化能源調度、節約能源和改善環境的目的,必須加快武鋼集團公司能源調度信息采集系統的建設。?
??? 武鋼2006年底已建成覆蓋整個廠區范圍的燃氣熱力及氧氮氬空調度信息監控系統,目前正在建設的武鋼能源動力水網監控系統將全公司50個水站納入到武鋼能源動力公司調度中心集中管理,方便能源調度人員對水資源關鍵計量數據進行查詢、統計、分析,并及時掌握全公司水資源當前生產和用戶供應的狀態,擴大燃氣熱力及氧氮氬空調度信息監控系統的調度范圍,為武鋼能源全面調度自動化打下了堅實的基礎。?
??? 在武鋼能源動力水網監控系統建設過程中,江心水站、27#水站、3#水站、4#水站、15#水站、22#水站和12#水站在武漢鋼鐵集團公司廠區外,并且監控點分散,數據傳輸距離較遠,如果針對上述七個站點采取有線光纜數據傳輸方式,必然會帶來施工的困難,增加相應的網絡建設成本,尤其在網絡建成后期,網絡運行維護成本投入加大,現場維護人員的維檢工作量也會隨即加重。為了較好地解決有線光纜傳輸帶來的這些問題,本文提出了基于CDMA的無線組網方案應用于武鋼廠區外七個水站的數據采集系統。?
1 CDMA技術?
??? 碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)是在數字技術的分支——擴頻通信技術上發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術,即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數據用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制,使原數據信號的帶寬被擴展,再經載波調制并發送出去。接收端使用與之完全相同的偽隨機碼,與接收的帶寬信號作相關處理,把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴,以實現信息通信。 ?
??? CDMA移動通信網是由擴頻、多址接入、蜂窩組網和頻率復用等幾種技術結合而成,含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協作,因此它具有抗干擾性好,抗多徑衰落、保密安全性高、同頻率可在不同的區域范圍內重復使用并且容量和質量之間可做權衡取舍等特點。這些特點使CDMA通訊方式較好地滿足了武漢鋼鐵集團公司廠區外七個水站的現場數據采集要求(水站現場電磁干擾大、數據流量大和實時性強)。?
2 CDMA無線組網方案?
2.1 無線網絡結構?
??? 武鋼能源動力水網監控系為實現對武鋼廠區外7個水站的數據采集,依據這7個水站所處的地理位置構建了6個CDMA無線數據采集分站,并在武鋼能源調度室設置一個數據中心站點用于接收這6個分站發送的現場生產數據。這6個CDMA無線數據采集分站依次為:江心分站、27#分站、3#4#分站、15#分站、22#分站和12#分站。?
??? 武鋼廠區外水站的無線數據傳輸系統由數據采集單元、協議轉換器" title="協議轉換器">協議轉換器(內置CDMA無線數據終端" title="數據終端">數據終端單元)、CDMA無線網絡和中心服務器組成。綜合考慮業務數據量、安全性、可靠性、網絡狀況與成本等因素,采用以下組網方式:通訊服務器以公網固定IP通過VPN專線接入到離廠區最近的CDMA無線機站,協議轉換器內置的CDMA通訊模塊(DTU)上電后,自動與通訊服務器建立連接。武漢鋼鐵集團公司廠區外水站的無線數據傳輸系統結構圖見圖1所示。?
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2.2 無線數據傳輸原理?
??? 根據圖1所示的武鋼廠區外水站的無線數據傳輸系統結構,數據上傳" title="上傳">上傳原理如下:?
??? (1) 武鋼廠區外各水站現場溫度、壓力、流量等模擬量數據的采集通過一進二出的隔離器引入到數據采集單元的模擬量輸入模塊;水泵的運行狀態開關量點接入到數據采集單元的數字量輸入模塊;?
??? (2) 數據采集單元采集到的現場數據通過RS485串口上行傳輸到協議轉換器;?
??? (3) 協議轉換器把接收到的數據以RS485串行通訊協議送到CDMA無線數據終端; ?
??? (4) CDMA無線數據終端將數據轉換成TCP/IP包,發送到CDMA無線網絡;?
??? (5) 中心服務器通過綁定IP地址的VPN專線(帶寬可達2MHz,以保證各站點上傳數據的匯總,并確保站點和中心服務器的獨占性)將接收到的TCP數據流包匯總后,轉換成OPC(OLE for Process Control)標準的傳輸方式,再通過Wonderware公司的通訊軟件OPC-LINK把OPC服務器上傳的數據傳輸到武鋼能源調度信息系統的數據庫Industrial SQL Server。?
2.3 無線通訊硬件?
??? 武漢鋼鐵集團公司廠區外水站的無線數據傳輸系統硬件設備主要包括數據采集單元、協議轉換器(內置CDMA DTU)和中心站點通訊服務器。該系統其核心的通訊設備是武漢希文科技發展有限公司XWXY系列協議轉換器,該設備采用嵌入式工控模塊,應用RISC技術的BBPC 1610C CPU,內置高品質的工業級電器元件和BTS 1600 CDMA1X(CDMA? DTU),并配備多重看門狗和自主知識產權的BIOS,產品的高穩定性、抗電磁干擾性和高速運算能力有了可靠的保證。該產品提供了十個外接設備通訊口,如RS232接口、RS485接口、10/100BaseT以太網接口等,以滿足不同外接設備的通訊需求。協議轉換器結構如圖2所示。?
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2.4 無線通訊軟件?
??? 武鋼能源水網監控系統建立于美國Wonderware公司提供的FactureSuite A2應用平臺,廠區外圍水站的現場數據必須歸并于FactureSuite A2平臺下的數據庫Industrial SQL Server進行統一管理。數據從廠區外水站現場傳輸到數據庫Industrial SQL Server的軟件流程具體如下:?
??? 武鋼廠區外的水站現場生產數據由數據采集單元的采集軟件處理后,轉發至協議轉換器的協議轉換軟件進行協議轉換,即武漢希文科技發展有限公司自定義傳輸協議轉換成工業數據傳輸的一種標準協議MOD BUS,再通過內置的無線數據終端實現TCP透明數據流無線遠傳到中心站點服務器,中心服務器上的MOD轉換OPC軟件(現成的軟件模塊,無需單獨開發)把接收到的TCP透明數據流內的MOD BUS協議的數據轉換成標準的OPC協議。這樣OPC-LINK軟件可以接收到經OPC服務器傳輸的數據,同時將這些數據再轉發到數據庫Industrial SQL Server內,至此完成廠區外圍水站的現場生產數據到武鋼能源調度信息采集系統數據庫的上傳全流程。如圖3所示。?
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2.4.1 協議轉換軟件?
??? 協議轉換軟件的功能是進行多種常用工業標準通訊協議或者各種電力規約相互的轉換。根據武鋼能源水網無線監控子系統的設計要求,該轉換軟件主要是實現武漢希文科技發展有限公司自定義的遙測和遙信通訊協議(xwyc和xwyx)到MOD BUS協議之間的轉換。協議轉換器端選擇以MOD BUS方式上傳數據給遠端的中心服務器主要是考慮到MOD BUS 協議是工業上一種比較常用的現場通訊協議,同樣OPC協議也是工業領域內數據傳輸的一種常用通訊協議,這兩種標準協議之間的轉換已有現成的軟件模塊加以實現,無需單獨開發,這樣可以減少程序開發量,縮短工程建設周期。?
??? 協議轉換軟件運行于更為穩定和安全的DOS操作系統環境,整套軟件用Borland C語言開發,其實現的主要流程如下:?
??? (1) 從協議轉換器0口(通過485接口接入數據采集單元)接收xwyc和xwyx協議數據,該數據是來自于數據采集單元的現場生產數據,并將該數據存入0口的數據緩沖區內。?
??? if(memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyc',4)==0)pol_r_selfyc(0);?
??? if(memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyx',4)==0)pol_r_selfyx(0);?
??? (2) 將協議轉換器0口緩沖區的數據按照一定的規則放入7口數據緩沖區內。?
??? if((memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyc',4)==0)||(memcmp(srfp[k]->protocol,'xwyx',4)==0)) updata_101(0);?
??? (3) 編制MODBUS報文放置協議轉換器7口數據緩沖區。?
??? if(memcmp(srfp[7]->protocol,'modbu',5)==0)pol_s_mod(7);?
??? (4) 協議轉換器7口數據緩存區通過RS485接口芯片接入到無線數據終端BTS 1600 CDMA1X。無線數據終端BTS 1600 CDMA1X提供RS485串行接口,可以接收串口數據。?
??? 無線數據終端BTS 1600 CDMA1X要實現TCP透明數據流傳輸,必須通過該產品提供的網管軟件對應用參數(包括是否用作路由器、是否啟動NAT功能、設備ID或設備描述、應用模式、對端地址、對端端口、角色、本地端口)進行適合本項目需求的配置,如應用模式選擇2(TCP透傳)、對端地址(中心服務器的IP地址)、對端端口(中心服務器接受TCP透明數據流的端口號)、角色0(客戶端)等,完成以上的基本配置即可保證無線數據終端BTS 1600 CDMA1X的正常工作,實現協議轉換器7口數據緩存的數據無線上傳至遠端的中心服務器。?
2.4.2 OPC-LINK?
??? 美國Wonderware公司提供的OPC-LINK是工作在Windows平臺下的應用軟件,其主要作用是通過協議轉換來實現OPC服務器和Industrial SQL Server之間的數據傳輸。OPC-LINK可以與近端或者遠程的OPC服務器進行連接,既可將FactureSuite A2平臺下發的命令轉換成OPC協議發送到OPC服務器,又可讀取OPC服務器端上傳的數據。同樣OPC-LINK也可以實現與近端或者遠程Industrial SQL Server之間的雙向傳輸。?
??? 基于CDMA的武鋼能源動力水網無線監控子系統相比有線數據采集系統,降低了通訊線路的建設成本和后期維護成本,通訊線路比較穩定,監控范圍不受限制,不易發生通訊故障。本系統在實際的運行測試中主要表現以下特點:?
??? (1) 中心服務器接入了2MHz帶寬的VPN專線,該帶寬遠遠超過了目前廠區外各水站生產數據匯總的需要,因此無線數據采集分站在現有的基礎上可以繼續擴充,以滿足武鋼正在進行的水站擴建需求。即使將來該VPN專線的帶寬不能滿足所有分站數據的匯總,只需由CDMA專業維護人員較為簡單地增加該專線的帶寬即可。?
??? (2)中心服務器接入的2MHz帶寬的VPN專線綁定了固定的IP地址,可以使數據采集分站的無線數據終端異常斷線后,直接自動重新撥號建立通訊連接,而無需重新配置無線數據終端內的中心服務器端的IP地址。這種綁定中心服務器IP地址的設計使得維護人員在無線數據終端異常斷線后不必去現場重新設置中心服務器端的IP地址,大大減少維護人員的維護量。?
??? (3)中心服務器接收到的武鋼廠區外圍水站現場生產數據的最大延時不超過2s,能夠滿足武鋼能源調度人員對廠區外水資源生產調度的要求。?
??? (4)廠區外各水站的數據采集設備均運行于非Windows操作系統,增加了數據的安全性,最大限度地防止人為因素引發的病毒侵擾。?
??? 相信隨著CDMA無線通訊的高速發展,以及3G時代的即將到來,武鋼能源動力水網無線監控子系統的數據傳輸速度、數據傳輸穩定性、傳輸數據的廣泛性(如傳輸生產現場的音頻、視頻數據)相應地都會有很大的提高,以更好地服務于越來越苛刻的武鋼能源生產。?
??? 本文的創新點有如下兩點:?
??? (1) 現場生產數據的采集利用CDMA無線通訊方式,武鋼水站的生產數據是實時傳輸,即單位時間的數據流量大,非工業現場常用的無線短信方式進行數據的傳輸。?
??? (2) 整個現場數據的實時采集所選用的設備是武漢希文科技發展有限責任公司針對本項目自主研發生產的,而非常規的國外制造廠家提供的現場總線系統或者PLC系統,這樣的設計可以使采集的生產數據根據現場的要求進行某種協議方式的通訊,即比成套的PLC或者現場總線系統的通訊方式改變更為方便,增加了數據采集的靈活性,同時節約了工程的投資費用。?
參考文獻?
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